흑해 해안에서 동쪽으로 수십 마일 떨어진 조지아 서부의 외딴 동굴 어딘가에, 고고 학적 발굴의 과학자들은 과거의 조각들을 위해 흩어져있는 스탈로 그미 스 중에서 찾고있었습니다. 고대 뼈는 동굴 바닥에 흩어져 있었지만 팀은 팀에 대해 약간의 관심을 가졌습니다. 대신, 그들은 고대 DNA를 찾기 위해 퇴적물 양동이를 모았습니다.
고대 DNA와 같은 고대 DNA와 같은 구리 시대 인간과 냉동 맘모스의 미라 화 된 유물에서 추출한 것과 같은 고대 DNA와 같은 고대 DNA와 같은 고대 DNA는 소중한 발견이었습니다. 물건을 찾는 것은 쉽지 않았으며 일반적으로 북극에 대한 긴 여행, 큰 연구 예산 및 상당한 운이 필요했습니다. 그러나 이제 과학자들은 어디에서나 그것을 찾고 있습니다.
지난 4 월 Scientific Reports 에 발표 된 동굴 연구 결과 , 곰, 알 사슴, 박쥐는 적어도 80,000 년 전까지이 지역에 존재했음을 보여 주었다. 그러나 후기 Pleistocene 동물의 흔적을 찾는 것은 토양 또는 다른 지형에서 세포가없는 잔류 물로 생존하는 긴 죽음의 유기체로부터의 유전자 분자의 흔적 인 환경 DNA 또는 EDNA로 수행 할 수있는 일의 표면을 긁는 것입니다. 그 강점 중 하나는 부드러운 몸체로 유기체의 잔재를 감지하여 과학자들이 식물, 조류 등으로 완전한 생태계를 재구성 할 수 있다는 것입니다. 환경 유전체학 (또는 메타 게노학도 알려진 바와 같이)은 우리에게 고대 세계를 몇 개의 모래에서 볼 수있게 해줍니다.
스웨덴 웁살라 대학교 (Uppsala University)의 진화 식물 생태학자인 Laura Parducci에 따르면,이 논문에 관여하지 않은“메타 게노 학적 기술의 큰 이점은 화석 기록에서 실제로 보이지 않는 종에서 DNA를 얻을 수 있다는 것입니다.” Parducci는 스칸디나비아의 호수 침대에서 퇴적물에서 EDNA를 추출하여 고대 생태계를 연구합니다. 그녀는 과거에 식물 공동체가 기후 변화에 어떻게 반응했는지 이해하기를 희망합니다. 고대 식물에 대한 통찰력은 전통적으로 씨앗과 나무와 같은 식물 잔재물이 일반적으로 내구성있는 동물 뼈보다 더 쉽게 부패하고 지질 학적 기록에서 찾기가 더 어려울 수 있기 때문에 전통적으로 동물의 뒤에 뒤떨어졌습니다. 또한 Parducci는 또한 미생물과 같은 유기체의 과거를 재구성하기를 원합니다.
‘그 DNA는 어떻게 되나요?’
유기체가 죽는 순간, 몸이 분해되기 시작합니다. 세포가 파열되고 내용물이 환경에 쏟아집니다. 지난 20 년 동안 과학자들이 깨달은 것은 신체의 물리적 구조가 사라지더라도 DNA가 수세기 동안 지속될 수 있다는 것입니다.
코펜하겐 대학교의 진화 유전 학자 인 Eske Willerslev는 빙하 아래의 토양을 포함하여 동굴 등에 가장 적은 장소 에서이 DNA를 발견했습니다. 그의 작품은 450,000 년, 아마도 나이가 많은 생태계를 재구성함으로써 전 세계 여러 곳의 자연 역사를 다시 작성하는 데 도움이되었습니다. 그는 그 아이디어가 대학원생으로서 그에게 왔다고 주장한다. "그것은 가을이었고, 나는 나무에서 잎이 떨어지는 것을 보았고, 나는 개가 길거리에서 쓰레기를 잡는 것을 보았습니다."라고 그는 회상했다. 어떻게 든 퇴적물이나 토양에 보존 될 수 있습니까? '”
2,000 년에서 4,000 년 전에 빙상에 갇힌 미생물에 대한 그의 대학원 연구는 빙하 아이스 코어에서 고대 DNA를 추출해야했습니다. 그러나 얼음 코어는 얻는 데 비용이 많이 들었고, 고대 DNA가 축적 한 다른 접근 가능한 장소가있을 수 있다는 생각은 그에게 호소력이있었습니다.
그러나 그의 논문 고문은 Willerslev가 전망이 너무 어둡게 보였기 때문에 아이디어를 제기했을 때 웃었다. 시간이 지남에 따라 세포 외부의 DNA는 다양한 유형의 손상을 축적합니다. 예를 들어, 그것은 작은 조각으로 나뉘어 진 끝이 뉴클레오티드베이스 쌍 치환의 오류로 수수께끼를 얻어 인코딩 된 정보를 더욱 발전시킵니다. 빙하 얼음의 깊은 동결은 DNA가 수천 년 동안 손상되지 않은 상태에서 살아남을 수있는 유일한 곳처럼 보였습니다.
그래도 Willerslev가 밀려났습니다. 그는 고고 학적 발굴 장소에서 영구 동토층에 손을 대고 보통 폐기되었을 것입니다. 우세한 지혜는 DNA가 과거에 대해 가치있는 것을 말하기에는 기본 쌍 오류로 인해 너무 수수께끼를 가져야한다고 말했습니다.
대신, 그는 샘플을 분석했을 때 프라이머가 고대 매머드, 들소, 말 및 다양한 식물의 DNA를 뽑을 수 있다는 사실에 놀랐습니다. 그는 10,000 년에서 50,000 년 전으로 거슬러 올라가는 시베리아 퇴적물 2 그램에서“당신은이 큰 다양성을 얻었습니다.”
라고 말했습니다.이 연구는 2003 년 Science 에 발표되었습니다 , 고대 환경 DNA의 잠재력을 보여준 최초의 사람 중 하나였습니다. 그러나 DNA를 얻는 새로운 방법은 새로운 분석 기술도 필요했습니다. Willerslev는“DNA 샘플을 섭취하고 뼈를 사용하는 경우와 마찬가지로 시퀀싱 할 수는 없습니다. 매우 지저분해질 것입니다.”라고 Willerslev는 말했습니다.
과거 재구성
고대 토양의 덩어리에는이 지역에 살았던 동물, 식물 및 미생물의 다진 DNA가 포함되어 있습니다. 각 종에는 고유 한 DNA 문자가 있습니다. 과학자들의 도전은 AS, GS, CS 및 TS의 줄을 구문 분석하여 기원 종을 식별하는 것입니다.
Metabarcoding이라는 기술에서, DNA는 토양에서 추출되어 더 많은 사본을 만들기 위해 먼저 직접 시퀀싱되거나 증폭된다. 때때로 과학자들은 보편적 프라이머를 사용하는데, 이는 한 종이나 가족의 모든 유기체에서 작은 서열의 DNA를 인식합니다. 이들 분자는 중합 효소 연쇄 반응을 통해 증폭되거나 복제 될 모든 식물 DNA 또는 동물 DNA를 식별 할 수있다. 샷건 시퀀싱이라는 다른 기술에서, 모든 DNA 단편은 동시에 함께 시퀀싱된다. 그런 다음 어느 기술에 의해 분리 된 서열은 알려진 서열의 라이브러리와 일치하며, 과학자들은 샘플에 특정 식물, 동물 또는 미생물이 포함 된 것을 볼 수있다. Willerslev는 과정을 경찰 법의학에 비유하며, 범죄 현장에서 얻은 DNA가 수집 된 다음 범죄자 데이터베이스와 일치합니다.
과거의 정확한 그림을 만드는 것은 고대 DNA 샘플의 품질과 보존에 달려 있습니다. 유기체가 죽을 때, DNA는 죽은 세포에서 쏟아지는 DNA 소화 효소와 붕괴 조직에서 잔치하는 미생물과 같은 다양한 위협에 취약 해집니다. 환경은 또한 유전자 물질을 UV 광선으로 폭파시키는 위협이 될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 DNA는 작은 조각으로 조각화되며, 그 서열은 뉴클레오티드 결실 및 오류로 수수께끼가됩니다.
예를 들어, 가수 분해 탈 아미네이션이라는 과정에서, 염기 시토신은 자발적으로 아미노기를 잃고 우라실이된다. 일반적으로 DNA에서, 구아닌과의 시토신 쌍, 아데닌과의 티민 쌍. 고대 DNA가 실험실에서 복제되면,이 손상은 DNA 가닥의 정상 아데닌보다 높아집니다. 이 과정은 고대 DNA에서 매우 예측 가능하여 과학자들은 분자의 유물을 확인하는 방법으로 그것을 찾습니다.
과학자들은 얼음이나 영구 동토층에서 DNA를 찾는 것을 선호합니다. 왜냐하면 이러한 파괴적인 과정을 늦추거나 억제하기 때문입니다. 동굴과 호수 침대도 보호 환경입니다. 지금까지 회복 된 가장 오래된 EDNA는 영구 동토층 토양에서 나왔습니다. 데이트 기술은 450,000에서 800,000 년 사이에 있습니다. 그보다 더 오래된 샘플은 아마도 너무 절망적으로 저하되어 오염되어 의미가 있습니다. 불행히도 Jurassic Park 의 팬들에게 , 수십 또는 수억 년으로 거슬러 올라가는 공룡 DNA는 결코 회수되지 않을 것입니다.
호수 침대에 갇힌 고대 DNA를 주로 연구하는 Parducci는 EDNA를 사용할 때 많은 경고가 있다고 설명합니다. 먼저, 대사 코딩에 사용 된 일부 프라이머는 다른 것보다 더 잘 작동합니다. 결과적으로, 그들은 다른 속도로 표적화 된 DNA 조각을 증폭시켜 원래 DNA 비율을 왜곡 할 수 있습니다.
둘째, 추출 된 DNA를 일치시키고 식별하기위한 데이터베이스는 완전하지 않습니다. 과학자들이 개별 종에 대한 DNA 서열 데이터를 업로드 할 때 생성되는 데이터베이스는 야생의 총 생물 다양성의 총량을 반영하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 Willerslev는“데이터베이스가 기하 급수적으로 증가하고 있음을 의미합니다. 즉, 식별 수준은 매년 개선됩니다.”
.지난 50,000 년 동안 뉴질랜드의 생태계 기능과 구성을 연구하는 마나키 래구 랜드 케어 리서치의 고생물학자인 제이미 우드 (Jamie Wood)는 현대 DNA가 고대 샘플에서 섞이지 않도록하기 위해 힘들어 진 조치를 취해야한다고 설명합니다.
.그는 현대 DNA로 고대 샘플을 오염시키는 것이 쉽다고 말하면서 두 가지를 분리하기가 어려울 수 있다고 말합니다. 예를 들어 바나나는 뉴질랜드 출신의 식물이 아니더라도 에드나를 모으는 것과 같이 때때로 샘플에서 바나나를 발견했습니다. 그 바나나는 과일을 먹고 샘플을 처리 한 과학자 또는 시약을 제조 한 사람들에 의해 소개되었을 가능성이 높습니다. 바나나는 또한 많은 시퀀싱되었으며 Plant DNA 데이터베이스에 잘 표현되어 가짜 경기의 가능성이 높아집니다. 그의 일에서 Wood는 소설에서 사실을 제거하기 위해주의해야합니다.
그렇게하기 위해 그는 DNA 분석과 꽃가루 및 지질 기록의 정보와 결합합니다. 우드는“각각은 과거에 대해 무언가를 말해줍니다. "당신이 그것들을 모두 함께 사용하면, 진정한 힘은 과거의 생태계를 이해하는 데옵니다."
. 고대 병원체의DNA
Wood는 최근 5 만년 전부터 칠레의 Atacama 사막에있는 바위 틈새에 묻힌 설치류 중개인으로부터 고대 DNA를 얻었습니다. 식물의 일부로 만들어졌으며 고대 설치류 소변으로 덮인 중간은 잘 보존 된 DNA를 가지고있었습니다. Wood는 특히 그가 찾을 수있는 식물 병원체에 관심이 있었고,이 지역의 연간 강수량이 더 높은 기간 동안 마지막 빙하기 이후의 유병률이 어떻게 이동했는지에 관심이있었습니다.
Scientific Reports 에 발표 된 결과 지난 11 월, 식물 병원체 만 포함 된 6 개의 다른 분류군을 발견했습니다. 그는 DNA가 너무 악화되어 존재하는 정확한 종을 식별 할 수 없었지만, 그는 샘플을 좁힐 수있었습니다. 한 예에서, 그는 물 금형이라는 유기체 그룹 인 Oomycetes를 발견했습니다.이 그룹은 Phytophthora, 감자 역병을 일으키는 미생물과 같은 것들을 포함했습니다.
.이 논문은 식물 병원체에서 회수 된 가장 오래된 DNA 인 것으로 보인다. 이들 중 일부에서 발견 된 우드는 강우 증가로 유병률을 이끌어 냈습니다. 그는 과거의 데이터를 사용하여 식물 질환, 특히 작물에 영향을 미치는 질병이 온난화 및 습한 기후의 영향을받는 방법을 예측하는 데 관심이 있습니다. 목재의 경우, 이러한 유형의 작업은“모델을 개선하는 데 도움이 될 수 있으며 미래 기후 변화에 따라 상황이 어떻게 변할 수 있는지 예측할 수 있습니다.”
.암초를 파는
많은 과학자들이 고대 DNA를 위해 동굴, 호수 및 화석화 된 설치류 배설물을 닦고 있지만, 다른 사람들은 바다로 가져 가고 있습니다. 해양 생물 학자 María del Carmen Gómez Cabrera와 호주 퀸즐랜드 대학교의 연구원 팀은 해저에서 고대 환경 DNA를 사용하여 Great Barrier Reef의 산호 공동체가 어떻게 변했는지 이해하고 있습니다.
.지난 200 년 동안 그레이트 배리어 리프 (Great Barrier Reef)에서 빠르게 성장하는 산호는 느리게 성장하고 오염 내성의 품종으로 대체되었습니다. 호주에서 유럽 식민지의 부상과 일치하는이 변화는 지난 70 년 동안 더 두드러졌으며, 토지를 청소하고 가축을 키우고 단일 배양 농작물을 늘리는 데 널리 퍼진 수질 오염으로 표시되었습니다.
산호초는 수천 종의 종을 수용하는 매우 다양한 생태계이며, 그 중 다수는 화석 기록을 남기지 않습니다. Gómez Cabrera의 경우 Great Barrier Reef를 산호와 공유하는 다른 유기체에 대해 배우면 시간이 지남에 따라 암초의 건강에 대한 풍부한 정보를 제공 할 것입니다. 산호가 죽을 때, 물의 오염이나 산호 표백이라고 불리는 병리학 적 상태로부터, 그들은 해초에 의해 빠르게 식민지화되는 빈 공간을 남깁니다. 따라서 특정 유형의 해초는 산호 다이 오프를 측정하기위한 대리로 사용될 수 있습니다. 따라서 Gómez Cabrera는 그레이트 배리어 리프의 Edna 기록에서 해초의 징후를 찾기 시작했습니다.
Gómez Cabrera는“우리의 마음 뒤에는 항상이 잔소리 문제가 있었는데, 우리는 거의 거의 플레이어를 기반으로 한 과거 생태계의 그림을 그려려고 노력했다”고 Gómez Cabrera는 말했다.
퇴적물 코어를 얻기 위해, 그녀와 그녀의 팀은 스쿠버 장비를 입고 그레이트 배리어 리프로 향하여 퇴적물 샘플을 수집했습니다. 그들은 지름이 약 5 미터, 10 센티미터 인 알루미늄 파이프를 암초의 13,000 년 수명에 걸쳐 퇴적 된 단단하고 시멘트 된 산호로 망치고 있습니다. Gómez Cabrera는“우리는 단지 튜브를 넣을 수있는 한 망치로 망치로 파운드와 파운드와 파운드입니다. “매우 어려운 노동입니다.”
코어를 제거하고 분석을 위해 실험실로 가져간 후, 과학자들은 750 년 전부터 해초 DNA를 얻었습니다. 2 월에 출판 된 그들의 논문에서, 그들은 갈색 해초의 상대적 풍부가 산호를 찾기가 어려웠고 그 반대도 마찬가지로 훌륭하다는 것을 발견했습니다. 결과는 갈색 해초 DNA가 시간이 지남에 따라 산호 성장을 이해하는 데 사용될 수 있음을 나타냅니다.
저자들은 모든 유기체와 위치의 DNA가 시간이 지남에 따라 분해로부터 똑같이 잘 보호되지 않을 수 있기 때문에 그들의 결과는 고대 DNA의 차별적 보존에 의해 영향을받을 수 있다고 경고합니다. 그러나 그 결과는 암초 전체의 많은 다른 코어에서 복제되어 결론을 뒷받침했습니다.
이 초기 연구는 EDNA가 산호초에서 부드러운 바디 유기체의 공동체 구조에 대한 귀중한 정보를 제공 할 수 있음을 보여줍니다. 앞으로, 그것은 Reef Health의보다 완전한 그림을 제공 할 수 있습니다.
방법이 개선되고 참조 DNA 라이브러리가 확장됨에 따라 많은 과학자들은 환경 DNA가 결국 과거의 생물 다양성뿐만 아니라 과거의 진화 적 변화를 엿볼 수 있다고 생각할 것을 권장합니다. 몇 년 안에“예를 들어 선택과 같은 것들을 볼 수 있다고 생각합니다.”라고 Willerslev는 말했습니다. 종에서 시간이 지남에 따라 유전자 빈도를 관찰함으로써, 그들은 환경 변화와 선택 압력에 반응하여 유기체가 어떻게 진화했는지에 대한 그림을 수집 할 수 있습니다.
라이프 치히의 맥스 플랑크 진화 인류학 연구소 (Max Planck Institute for Evolutionary Interpropology)의 진화 인류 학자 인 Mareike Cordula Stahlschmidt에 따르면“환경 DNA에 대한 연구는 우리가 과거에 대해 알고있는 것을 크게 증가시킬 것입니다. Stalagmite Paper의 첫 번째 저자 인 Stahlschmidt는 그것이 Paleoecology Toolbox에 강력한 새로운 추가라고 생각합니다.
이 장면은 전 세계의 고고 학적 발굴 장소에서 진행되고 있습니다. 과학자들은 뼈와 인공물이 아닌 고고 학적 발굴에서 발굴 된 토양 더미에 점점 더 관심이 있습니다. 하나의 고고 학적 발굴 사이트가 뼈를 얻는 비용의 일부로 수십 개의 실험실에 자료를 제공 할 수 있다고 생각한다면,이 분야가 빠르게 확장 될 것이라고 말하는 것이 합리적입니다.
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Willerslev는“이것이 미래가있는 곳이라고 생각합니다.
